сеобщий закон живой природы.
А как обстоит дело у растений? Чем, например, определяется время их цветения? Каковы часы, по которым они ведут отсчет времени, определяют времена года?
Осень 1967 г. была чрезвычайно теплой. На Кубани она даже напоминала весну. И вот кое-где расцвела уже сирень. Да, да, сирень — осенью. А в одном подмосковном городке прохожие с удивлением останавливались перед яблоней, на ветках которой рядом со зрелыми яблоками распустились нежно-белые цветы. Почему же растения "поверили" погоде? Вот и в 1948 г., когда в Крыму стоял удивительно теплый январь и температура днем переваливала за 20° Ц, зацвел миндаль. Все 400 сортов и 2000 гибридов ботанического сада, полудикие деревья на склоне гор — все "обманулись", зазеленели или начали цвести. А в феврале ударили морозы, и деревья, увы, почти все замерзли.
Советскому ученому Рихтеру удалось раскрыть тайну механизма внутренних биологических часов миндаля. Но сколько еще осталось невыясненного и удивительного в мире физиологических ритмов! Возьмем, например, червя палоло, встречающегося в Тихом океане возле острова Самоа. Как он приспособил свои действия к лунному дню, к лунному месяцу?
Как известно, лунный день длится 24,8 час (от одного восхода Луны до другого), лунный же месяц состоит из 29,5 дня (от одного полнолуния до другого). И вот в октябре и ноябре, когда три четверти Луны освещены Солнцем, во время ночного прилива из коралловых рифов выползают полчища червей палоло. Интересно, что местные жители даже устраивают в это время ночью особые празднества, на которых главным лакомством считается блюдо из червя палоло. Обладают внутренними часами также и устрицы, причем их часы идут по приливному времени. Как рассказывают Л. Дж. Милн и М. Милн, панцирные моллюски, выловленные в бухтах Новой Англии и во влажной упаковке доставленные в лабораторию на Среднем Западе, находясь даже за полторы тысячи миль от океанских приливов, продолжают по ним регулировать свою жизнь, изменяя ширину щели между створками раковины, а вместе с этим и потребление кислорода.
Большую роль играют биологические часы и в способности пернатых ориентироваться в пространстве. Замечено, например, что жаворонки корректируют свой путь, отыскивая север. Ранним утром, сориентировавшись на восходящее на востоке Солнце, они поворачивают влево на 90°. Любопытно, что если жаворонков подержать 12 — 18 дней в помещении, где ежедневно свет включается на 6 час позже, т. е. фактически в полдень, то это оказывается достаточным, чтобы сбить ход их биологических часов. Выпущенные на волю подопытные жаворонки ориентируются теперь на полуденное Солнце и поворачивают от него на 90° влево, как они делали это утром. Но теперь Солнце, естественно, уже стоит не на востоке, а на юге, и вместо севера бедным, вконец запутанным человеком птицам приходится уже лететь на восток!
Итак, как мы убедились, самые разные ритмы — суточные, лунные, приливные и сезонные — присущи всему живому — от червя палоло и деревьев миндаля до газелей и человека.
Как же образуются эти ритмы у человека? Возьмем, к примеру, суточный ритм. Поскольку уже давно было известно, что 24-часовой ритм (температура тела, чередование сна и бодрствования) устанавливается у новорожденных постепенно, логично было бы предположить, что этот ритм возникает в растущем организме только под влиянием окружающих условий. Но есть и другая гипотеза: некоторый внутренний ритм, существовавший в организме еще до рождения, постепенно устанавливается при помощи внешних датчиков времени, синхронизируется с ними. На Международном симпозиуме по биологическим часам в 1960 г. доктор Хельбрюгге сделал сообщение о развитии циркадных ритмов у детей. Оказалось, что их физиологические функции формируют свои суточные ритмы независимо друг от друга и в разное время (рис. 4).
Интересно, развивается ли 24-часовой ритм у людей исключительно под влиянием внешних факторов? Оказывается, что если сравнивать ритмы сна и бодрствования, изменение частоты пульса у недоношенных детей и у детей, родившихся в срок, то у первых суточный режим обеих функций развивается позже. Значит, экзогенные факторы имеют все-таки меньшее значение, в противном случае суточный ритм у родившихся одновременно детей должен был бы и развиваться одновременно.
Вообще исследование природы приспособления живых организмов к окружающей среде обычно сводится к исследованиям трех типов:
Прежде всего выясняются все формы проявления интересующего нас феномена и все его закономерности.
Затем ищут, где же расположен сам "механизм", обусловливающий эти явления в организме.
И, наконец, исследуют природу, т. е. физическую и химическую сущность, изучаемого "механизма".
Мы с вами ознакомились с интереснейшими фактами проявления биологических часов у растений, животных и человека, и теперь, если придерживаться вышеизложенного плана, следует несколько подробнее остановиться на закономерностях функционирования биологических часов, на зависимости их хода от различных факторов.
Можно ли остановить биологические часы и каким образом? Как пустить их в ход? Как заставить их спешить или отставать? Что влияет на ход этих часов: чередование темноты и света, изменение температуры, вращение Земли? Особенно много исследований посвящено проблеме влияния длительности светового дня.
Рис. 4. Развитие суточных ритмов у детей. а) Частота пульса; б) температура тела. Сплошные линии — средние значения показателей физиологических функций, пунктирные — характеристика разброса. Справа у графиков в числителе — число обследованных детей, в знаменателе — суммарное число суток, затраченных на обследование всех детей
У ученых даже сложилась здесь специальная терминология. Для краткости условия непрерывного освещения обозначают СС (свет, свет), непрерывной темноты — ТТ, а циклы, состоящие в чередовании фаз света и темноты, — СТ. Например, суточный ритм, состоящий из 12 час света и 12 час темноты, по этой системе будет обозначаться 12С — 12Т.
Биологические часы были бы совершенно непрактичны, если бы их нельзя было переводить назад и вперед.
Опыты показали, что если держать животное, активное при свете, в полной темноте, то обычно через несколько дней суточный цикл его жизнедеятельности пропадает, но его можно опять полностью восстановить, воздействуя на животное светом. Так, у мушки дрозофилы суточный цикл восстанавливается вспышкой света продолжительностью всего 0,005 сек! А чтобы "пустить" в ход "часовой механизм" фасоли, выросшей при непрерывном освещении, — заставить, например, подниматься и опускаться ее листья, — надо подержать фасоль не менее 9 — 10 час в темноте. Причем если это количество часов темноты будет дано с перерывами, то биологические часы фасоли ни за что не заведутся. Однако если фасоль выросла в непрерывной темноте, то описанный ритм возникнет после самого кратковременного ее освещения.
В случае же изменения длительности циклов света и темноты организм непременно приспосабливается и к ним. Весьма показателен в этом отношении эксперимент, проведенный немецким ученым М. Линдауэром. Он привез с Цейлона в Мюнхен индийских пчел. Так как длительность дня и ночи тропического и умеренного поясов не совпадают, вполне естественно было бы ожидать, что пчелы, биологические часы которых идут по тропическому времени, в условиях континентальной Европы будут полностью дезориентированы. Так оно и случилось. Но прошло всего лишь шесть недель, и все вошло в норму: пчелы перестроили ход своих "часов" на европейский лад, а потом и совсем европеизировались, превосходно приспособившись к новым условиям.
Американский ученый Хампер из Калифорнийского университета исследовал, как влияет нарушение циркадного ритма на развитие растений. Опыт проводился с соевым деревом. Когда Хампер создавал дереву "ночь" длительностью 16 час и "день" — 8 час, оно цвело так же, как и в естественных условиях. Но стоило только продлить "ночь" до 24 час, а "день" оставить прежним — дерево переставало цвести. Однако при этом обнаружилась и интересная закономерность: если полный цикл СТ был кратен 24 час, например, "ночь" составляла 64 час, а "день" — 8 час, цветение наступало, как обычно.
Любопытные наблюдения провели китайские ученые. С 11 до 13 час плодовые деревья закрывали от дневного света. Оказалось, что этот своеобразный "мертвый час" пошел деревьям на пользу. Яблоки наливались и созревали в три раза быстрее и были больше обычных яблок подобного сорта!
И, наконец, советские ученые И. Е. Лобашев и В. Б. Савватеев провели множество опытов с курами. Цыплят с первого дня жизни содержали при ритме 8С — 4Т, т. е. 8 час света, 4 час темноты. Ночь каждые сутки для них наступала с 12 до 16 и с 24 до 4 час. Птицы вскоре приспособились к этим условиям. После кормления они засыпали в середине "дневной ночи", и в конце ее петухи даже пели по нескольку раз, а в 16 час куры отряхивались и чистили перья. В то время как контрольные куры начинали готовиться ко сну, садились на насесты, подопытные разгуливали и в сумерках, разыскивая в траве корм.
Теперь расскажем, как влияет на работу биологических часов температура. Оказывается охлаждение организма до 0° и ниже влечет за собой остановку биологических часов! Но стоит животное отогреть, повысить его температуру до нормальной, и "часы" снова начинают идти. И самым любопытным при этом оказалось то, что, подобно обычным часам, которые некоторое время стояли, а затем были пущены в ход без перевода стрелок, биологические часы животных в этом случае будут "отставать" ровно настолько, сколько они находились в покое при 0°, и все ритмические циклы при этом соответственно сдвинутся. Так, если пчел подержать в холодильнике, они опаздывают к кормушке. Однако если тех же пчел подержать некоторое время при необычно высокой температуре, то они раньше положенного появятся у кормушки. Между тем "часы" идут достаточно стабильно в том широком диапазоне температур, при котором обычно протекает жизнь пчел. Это и понятно. От биологических часов не было бы большой пользы, если бы в теплые дни они шли намного быстрее, чем в холодные. В этом нет ничего удивительного, например, когда речь идет о млекопитающих, у которых температура тела колеблется от 35 до 40° и регулируется самим организмом. Но и у других живых существ — рыб, лягушек и змей, температура тела которых, как известно, больше зависит от температуры окружающей среды, — биологические часы в этом случае не ускоряют и не замедляют своего хода!